[論文レビュー] Observational constraints on the origin of the elements. I. 3D NLTE formation of Mn lines in late-type stars

M. Bergemann, A. J. Gallagher+10 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 78被引用数 25

ひとこと要約

本研究は、更新された原子データと流体力学的星周大気を組み込んだ、晩期型星におけるマンガン（Mn）線の3次元非局所熱平衡（NLTE）放射移動モデルを開発した。1次元LTEモデルではマンガンの元素組成が顕著に偏っており、太陽における3次元NLTE補正によりマンガンの元素組成が5.52±0.03 dexに上昇し、隕石の値と整合的であることが示された。また、HD 122563のような金属不足星におけるイオン化・励起状態の不均衡も解消された。

ABSTRACT

Manganese (Mn) is a key Fe-group elements, commonly employed in stellar population and nucleosynthesis studies to explore the role of SN Ia. We have developed a new non-local thermodynamic equilibrium (NLTE) model of Mn, including new photo-ionisation cross-sections and new transition rates caused by collisions with H and H- atoms. We applied the model in combination with 1-dimensional (1D) LTE model atmospheres and 3D hydrodynamical simulations of stellar convection to quantify the impact of NLTE and convection on the line formation. We show that the effects of NLTE are present in Mn I and, to a lesser degree, in Mn II lines, and these increase with metallicity and with effective temperature of a model. Employing 3D NLTE radiative transfer, we derive new abundance of Mn in the Sun, A(Mn)=5.52 +/- 0.03 dex, consistent with the element abundance in C I meteorites. We also apply our methods to the analysis of three metal-poor benchmark stars. We find that 3D NLTE abundances are significantly higher than 1D LTE. For dwarfs, the differences between 1D NLTE and 3D NLTE abundances are typically within 0.15 dex, however, the effects are much larger in the atmospheres of giants owing to their more vigorous convection. We show that 3D NLTE successfully solves the ionisation and excitation balance for the RGB star HD 122563 that cannot be achieved by 1D LTE or 1D NLTE modelling. For HD 84937 and HD 140283, the ionisation balance is satisfied, however, the resonance Mn I triplet lines still show somewhat lower abundances compared to the high-excitation lines. Our results for the benchmark stars confirm that 1D LTE modelling leads to significant systematic biases in Mn abundances across the full wavelength range from the blue to the IR. We also produce a list of Mn lines that are not significantly biased by 3D and can be reliably, within the 0.1 dex uncertainty, modelled in 1D NLTE.

研究の動機と目的

• 1次元LTEモデルで非局所熱平衡（NLTE）効果および3次元星周対流を無視することで生じるマンガン（Mn）元素組成の系統的バイアスを是正すること。
• 写真電離断面積およびHおよびH⁻との中性子衝突率を含む更新された原子データを用いた新しいNLTEモデルを開発し、晩期型星におけるMn元素組成測定の精度を向上させること。
• NLTEおよび3次元流体力学的対流の両方の影響が、異なる星のタイプおよび金属量におけるMn線形成に与える総合的影響を定量化すること。
• 特にHD 122563のような金属不足のベンチマーク星において長年残っていたMnのイオン化および励起状態のバランス問題を解消すること。
• 3次元およびNLTE効果の影響が最小限であるMn線を同定し、系統的不確実性が低減された1次元NLTE分析に信頼性を持って利用可能な線を提供すること。

提案手法

• 写真電離断面積およびHおよびH⁻原子との衝突率を詳細に組み込んだ新しい3次元NLTE放射移動モデルをMn用に開発した。
• 非局所熱平衡（NLTE）および3次元対流の効果を分離するために、1次元LTEおよび1次元NLTEモデル大気および星周対流の3次元流体力学的シミュレーションにこのモデルを適用した。
• 紫外線、可視光、赤外線（Hバンド）領域にわたるMn IおよびMn II線の包括的セットに対して放射移動計算を実施した。
• 3次元NLTEモデルを用いて、太陽および3つの金属不足ベンチマーク星（HD 84937、HD 140283、HD 122563）の新しいMn元素組成を導出した。
• 1次元LTE、1次元NLTE、3次元LTE、3次元NLTEの各シナリオの結果を比較し、元素組成測定における系統的バイアスを定量化した。
• 3次元およびNLTE効果の影響が最小限であるMn I多重準位（9、23、24、32）を同定し、バイアスが0.1 dex未満であるため、1次元NLTE分析に適している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非局所熱平衡（NLTE）および3次元対流効果は、晩期型星におけるMn IおよびMn II線形成にどのように影響を与えるか？
• RQ2 1次元LTEモデルは、金属不足星および巨星において、Mn元素組成の測定をどの程度系統的にバイアスさせるか？
• RQ3 3次元NLTEモデリングは、HD 122563のような金属不足星で長年観測されていたイオン化および励起状態のバランス問題を解消できるか？
• RQ4 どのMn線が3次元およびNLTE効果に対して頑健であり、信頼性を持って1次元NLTE元素組成分析に使用できるか？
• RQ5 3次元NLTE効果および更新された原子データを完全に考慮した場合、太陽における真のMn元素組成は何か？

主な発見

• 新しい3次元NLTE太陽Mn元素組成は5.52±0.03 dexであり、CI隕石組成（5.50±0.03 dex）と非常に良好に一致している。
• 1次元LTEでは太陽Mn元素組成が0.18 dex低く見積もられ（5.34±0.04 dex）、1次元NLTEでも0.11 dex低く見積もられ（5.41±0.05 dex）ており、3次元NLTEの必要性が浮き彫りになった。
• 金属不足巨星（HD 122563など）では、3次元NLTE元素組成は1次元LTE結果よりも最大で1 dex高い結果となり、以前に説明がつかなかったイオン化および励起状態の不均衡が解消された。
• 3次元NLTEにおいて、3488および3497 ÅのMn II線は、3次元非均一大気における線散乱の増強により、1次元モデルよりも顕著に強く見られ、1次元LTEによる過大評価が是正された。
• 赤外線HバンドのMn I線では、1次元LTEで0.2–0.35 dexのバイアスが生じるが、1次元NLTEと3次元NLTEの差はわずか-0.15 dexであり、1次元NLTE研究において-0.15 dexの一貫した補正が可能であると考えられる。
• Mn Iの多重準位9、23、24、32は、3次元およびNLTE効果の影響が最小限であり、バイアスが0.1 dex未満であるため、信頼性の高い1次元NLTE元素組成分析に最適である。